Явление перехода света в радиоволны применительно к биосистемам и биокомпьютерам [42]

Нами обнаружено явление перехода красного когерентного света в радиоволны при взаимодействии лазерного пучка с веществами. Рассмотрим, как формируются на порядки усиленные радиоизлучения геноструктур in vitro, формируемые за пределами лазерного резонатора, основной частью которых могут являться электроакустические поля, обнаруженные нами ранее, в частности, как волновые структуры ДНК, рибосом, коллагена и хромосом [25].

Для получения стоячей и бегущих волн на лазерном пучке, зондирующем геноструктуры, в наших экспериментах был использован специально изготовленный He-Ne лазер с мощностью излучения 2 mВт, длиной волны 632,8 нм, одночастотный со стабильным резонатором, управляемым посредством термостатирующего элемента. Схема эксперимента приводится на рис 15.

Это схема так называемого трехзеркального лазерного интерферометра имеет особенность в том, что внешнее зеркало резонатора является полупрозрачным или полностью прозрачным, а также может быть преобразовано в сложные композиции типа “сэндвич”, между слоями которого вводятся изучаемые препараты. В этой схеме имеются два информа-

Рис.15

ционных канала  один традиционный оптический, а другой по эфиру - радиоволновый. Рассмотрим вначале работу оптического канала для того, чтобы понять работу второго канала. Внешнее зеркало резонатора юстируется таким образом, чтобы отраженная часть оптического луча от этого зеркала точно попадала бы в резонатор. При этом прямой из лазера и отраженный от зеркала лучи интерферометра складываются и результирующая волна от сложения сигналов, прошедшая через полупрозрачное зеркало, анализируется пространственным фильтром и попадает на кристалл фотодетектора. Пространственный фильтр, представляющий собой точечную диафрагму, жестко соединен в едином моноблоке с корпусом фотодетектора, электрический сигнал от которого наблюдается на экране осциллографа. В зависимости от того, в какой спекл попадает точечный участок фильтра, наблюдаются те или иные осциллографические сигналы, которые появляются за счет резонансного усиления радиоизлучений, формируемых за пределами лазерного резонатора.

Регистрацию радиоволн проводили “радиопрослушиванием” близлежащего пространства (в радиусе до 4-х метров) вокруг препаратов специальным образом приготовленных хромосом (сперматозоиды мыши) и ДНК из селезенки быка. Концентрированные препараты (около 1 мг/мл в дистиллированной воде, а также в определенных сочетаниях с этанолом, водой, триптофаном и гуанозин-трифосфатом) наносили тонким слоем на грань полупрозрачного зеркала (предметное стекло), накрывали вторым предметным стеклом, выдерживали 3 4 суток до высыхания при , и направляли отраженный (промодулированный исследуемым препаратом) пучок света обратно в лазерный резонатор. В другой модификации использовали тонкую, отражающую свет, пленку ДНК без нанесения ее на полупрозрачное зеркало. Схема эксперимента с воздействием ультразвука на ДНК на рис.16.

Рис.16

При всех способах подготовки ДНК регистрировали отчетливые радиосигналы, различающиеся по характеру в зависимости от типа исследуемых образцов или их сочетаний. Зондирование ДНК и хромосом и их комплексов с перечисленными выше веществами сопровождалось особыми радиосигналами (радиозвуком), резко отличным от такового абиогенных препаратов. Характерным, и полностью совпадающим с данными [25], было наличие чередования четких одиночных радио звуковых периодических (или почти периодических) сигналов, чередующихся со стохастическими, аналогично наблюдению в [25] относительно характера воздействия инфракрасного лазера на ДНК. Представляется, что это еще одна демонстрация высокой самоорганизации (солитонообразования) ДНК в рамках явления возврата Ферми-Пасты-Улама, самоорганизации, свойственной генетическим структурам как одно из фундаментальных проявлений памяти наследственности. Иными словами, в настоящем исследовании мы в какой-то степени подтвердили обнаруженную в [25] “солитонную память” ДНК на определенные моды возбуждения препарата, например, на механические вибрации. Характерно, что специфические модуляции радио звука при этом полностью соответствовали изменению во времени двумерных спекл-картин рассеянного препаратами ДНК света. Этот эффект полностью прекращался, если на препараты воздействовали ультразвуком (25 кГц, мощность 6,6) в течение 1015 секунд на расстоянии 12 сантиметра. После этого радиозвук становился монотонным и практически не отличался от фонового.

Можно высказать рабочую гипотезу о том, какие события происходят при взаимодействии ультразвука и генетических структур:

а) происходят разрывы молекул ДНК;

б) некоторые моды (или обертона) “записываются” на уровне акустики ДНК в рамках солитонного явления возврата Ферми-Паста-Улама и периодически возвращаются, “проигрываются” геноструктурами, подавляя (зашумляя) генознаковую ( в том числе и онко-генознаковую) акустику ДНК;

в) происходят оба перечисленных процесса.

В живом организме при хирургических операциях на раковых опухолях ультразвуковыми скальпелями, разработанных В.И.Лощиловым, это приводит к “стиранию” извращенной генетической информации, даваемой онкогенами, и тем самым к прерыванию метастазов.

Это служит основой для разработки принципиально новых методологий “волновой хирургии” онкологических больных, а если шире, то и “волновой медицины”.

Попытаемся дать первичную физическую модель феномена, когда лазерный свет (при взаимодействии с исследуемыми веществами) генерирует радиоволны. В общем случае всякую излучающую систему можно представить в виде потенциального гармонического осциллятора, находящегося в первоначальном состоянии устойчивого равновесия. В нашем случае, когда внешнее зеркало резонатора неподвижно, система находится в состоянии устойчивого равновесия и не излучает радиоволны. При этом (), для которого потенциал минимален. При отклонении зеркала из устойчивого равновесия на некоторое расстояниепотенциал в этой точке может быть разложен в ряд по степеням малых величин, а так как в этой точке частная производная= 0, то будем иметь значения для потенциала гармонического осциллятора

.

Запишем волновое уравнение для гармонического осциллятора в виде:

, (1)

где  постоянная планка,

квазиупругая постоянная,

, где  угловая частота колебаний, а

потенциал.

Если , , то уравнение (1) примет вид:

.

Известно, что энергия гармонического осциллятора всегда положительна, и для среднего значения энергии имеем:

,

где собственные значения будут:

,

и они равны собственным значениям гармонического осциллятора с точностью для полуцелого квантования энергии. В нашем случае имеет место суперпозиция двух (и) монохроматических гармонических волн от точечных осцилляторов, одним из которых является лазер, а другим внешнее зеркало резонатора. Для упрощения выкладок построения физико-математической модели предположим, что поляризация этих волн одинакова и совпадает по ориентации магнитныхи электрическихвекторов Умова-Пойтинга. Результирующее колебание в такой суперпозиции (и) волн дадут:

,

где и амплитуды волн; и  фазы;  угловая частота;  время.

Для волн, распространяющихся в одном направлении, результирующее колебание можно записать как

,

где

(2)

Если , то.

Из уравнения (2), получим новую гармоническую волну, амплитуда и фаза которой будет иметь вид:

,

=. (3)

Угол () в выражении для амплитуды результирующей волны равен

().

Таким образом, произведя сложение волн посредством третьего зеркала резонатора, которое луч возвращает точно в резонатор лазера, получили новую гармоническую волну. Из последнего выражения видно, что амплитуда не зависит от положения точки, в которой мы исследуем результирующее колебание. Все точки колеблются с одинаковой амплитудой, зависящей лишь от разности расстояний между точками, в которых фазы суммируемых волн равны нулю. Амплитуда будет максимальной, когда разность фаз будет равна , где целое число. При этом расстояние между внешним зеркалом и резонатором лазера составит, а амплитуда равна. В этом случае волны складываются в фазе. Минимальной амплитуда будет при условии, если, а разность путей двух волн. В этом случае амплитуда равна , что соответствует сложению противофазных волн. Если амплитуды общих волн будут равны, т.е. , то наименьшая амплитуда будет равна нулю, а максимальная  удвоенной амплитуде суммируемых волн. При равенстве амплитуд фаза результирующего колебания будет равнаи не будет зависеть от положения точки наблюдения. Во всех точках пространства, где происходит интерференция, фаза колебания одинакова, что соответствует стоячим волнам.

Амплитуда этих волн из (3) . В случае встречных волн с различными амплитудами. При наложении таких волн образуется стоячая волна с амплитудой, а также бегущие волны с амплитудой, которые распространяются в направлении волны с большей амплитудой. Эти бегущие волны при записи создают фон, над уровнем которого наблюдается модуляция, обусловленная “дышащей” стоячей волной типа трубчато-цилиндрического солитона-бризера. При неподвижном зеркале внешнего резонатора в нашем случае образуется трубчато-цилиндрический квантовый солитон-бризер, стоящий на месте, но “дышащий”.

В нелинейной физике такого рода солитоны названы бризерами именно потому, что они, оставаясь на месте или смещаясь вблизи неоднородностей (например, зеркала), “дышат” (от английского breath). Именно это низкочастотное “оптическое солитонное дыхание”, как нам представляется, и генерирует радиоволны и. “Солитонное акустико-электромагнитное дыхание” свойственно и молекулам ДНК, рибосомам и коллагену в рамках явления возврата Ферми-Паста-Улама. [25]. Колебания жидкокристаллической решетки молекул ДНК приводят к возникновению поперечных волн интенсивности, проявляющихся в изменении диаметра трубчато-цилиндрического квантового солитона-бризера, который может двигаться, порождая широкий спектр радиоволн. Диаметр этого солитона может уменьшаться или увеличиваться при прямом или обратном движении внешнего зеркала резонатора. Систему подвижных колец (проекций трубок), в той или иной степени искаженных (промо-дулированных) исследуемым препаратом, можно наблюдать на экране, установленном между внешним зеркалом резонатора и пространственным фильтром фотодетектора. Движение такого солитона-бризера может привести к усилению тех бегущих волн интенсивности, о которых речь шла выше. Таким образом, происходит взаимная энергетическая подпитка бегущих волн солитоном-бризером и наоборот. Можно полагать, что подкачка расходуемой энергии солитона-бризера происходит из фоновой стохастической энергииkT за счет стохастического резонанса через фильтр согласования между кратными гармониками макро- и микросистем, где макросистема есть солитон-бризер, а микросистемой является отдельный квантовый осциллятор, например, молекула ДНК.

Первоначальная идея использования энергии kT для подпитки солитонов обсуждена в работе Пиппарда и в наших последующих исследованиях относительно создания лазеров на информационных биомакромолекулах, в частности, лазеров с использованием солитонных волн [2,3,16,34,35]. Фильтр согласования мы понимаем как инструмент реализации общего принципа гармонического сочетания, то есть непротиворечивого согласованного взаимодействия. Вычислим диапазон спектра частот генерации такого опто-радиоволнового “дыхания” в наших экспериментах за счет движения внешнего зеркала резонатора. Спектр частот резонатора определяется временем прохождения излучением всего тракта от торца дальнего зеркала лазера до внешнего зеркала резона-

тора по известному соотношению¹:

,

где  целое число;

длина и показатель преломления среды -го участка резонатора;

длина резонатора;

скорость света в среде.

В резонаторе, как правило, существуют несколько типов бегущих волн, для которых число различается на единицу и зависит от количества мод. Такой режим является многомодовым. Разность частот между соседними модами составляет

В резонаторе резко сужается ширина спектра излучения. Известно, что добротность резонатора определяется соотношением

,

где  энергия, запасенная в резонаторе;

это энергия, теряемая в резонаторе за цикл времени одного прохода резонатора ,

где коэффициент суммарных потерь;

потери энергии за один проход в резонаторе;

время прохода резонатора.

Подставляя значение ви учитывая, что, получаем:

,

так как , то; перепишем

;

Исходя из величины добротности резонатора, находим ширину спектра резонатора:

, (4)

который является диапазоном спектра излучения радиоволн.

Из работы¹ известна связь между шириной спектра резонатора и шириной линии излучения:

, (5)

где мощность излучения на данной моде;

энергия кванта.

Простой расчет из формулы (4) показывает, что при

=10%; = 0,54м;= 632,8нм;1мВт

и из формулы (5) = 0,007Гц.

Это трансформированные из лазерного света радиоволны в мегагерцовой области, что и было зарегистрировано в наших экспериментах.

Детальное развитие нашей квантово-электродинамической модели порождения радиоволн из света связано с теорией поля Максвелла и идеей возникновения элементарных частиц, которые обладают ротационной осцилляцией электромагнитных векторов УмоваПойтинга. Эта модель в дальнейшем позволит углубить понимание механизма перехода от пространства к веществу и наоборот и далее к пересмотру понятия времени. Практическое приложение данной теории позволит объяснить такие “аномальные” и давно известные эффекты, как сверхустойчивость термофильных бактерий к температурам, существенно превышающим области термодинамической устойчивости информационных биополимеров  ДНК и белков, а также “аномально” высокую сопротивляемость некоторых биосистем к огромным уровням радиоактивности. В свою очередь, это может вывести на понимание принципов старения и сопротивления старению организмов через идею согласующих фильтров биосистем и окружающей среды, фильтров, фрактально повторяющих себя на микро- и макромасштабах (от элементарных частицы до бактерий и человека).

Имеется косвенное теоретическое подтверждение нашей модели генерации радиоволн из солитонных возбуждений. В работе¹ Тужински и соавторов показана связь, взаимодополняемость двух казалось бы независимых теорий, в которых рассматриваются две физические модели, объясняющие необычное поведение биологических систем. Модели предложены Гербертом Фрелихом и Александром Давыдовым. Так называемые Давыдовские солитоны, описывающие возбуждение, делокализацию и движение электронов вдоль пептидных цепей белковых молекул в форме уединенных волн (солитонов)², дополняют известную модель Фрелиха³, развитую в нашей работе [16] о возможности высокополяризованного (когерентного, лазероподобного) состояния колеблющихся диполей информационных биомакромолекул, диполей, возникающих при Бозе-конденсации фононов электромагнитных волн белков (), ДНК (), мембран (). В работе [см. сноску 2 на стр. 85] Давыдовский гамильтониан трансформирован в нормальные координаты, Фрелиховский гамильтониан канонически трансформирован в эквивалентную форму в рамках аппроксимации Хартри-Фока. Авторы полагают, что модель гамильтониана способна связать обе теории, которые математически эквивалентны.

Кроме того, обе модели дополняют друг друга физически. Бозе-конденсация вибрационных мод биополимеров соответствует распространению солитона волны поляризации. И наоборот, солитонный транспорт граничной энергии вдоль пептидной цепи сопровождается бозе-конденсацией решеточных вибраций биоструктур.

Отсюда следует, что солитон порождает электромагнитное поле, а это, возможно, тот самый эффект, который мы наблюдаем в экспериментах, когда осциллирующий оптический солитон-бризер, отображающий солитонные возбуждения ДНК, генерирует оптико-резонансно усиленные радиоволны.

Еще одна мысль, привлекающая внимание: конверсия эндогенных когерентных фотонов, генерируемых хромосомами, в радиоволны в биосистеме может происходить по трехзеркальному принципу на многочисленных отражающих поверхностях мембран, аналогично нашим модельным опытам. Именно этим может объясняться зеркальный блеск органов и тканей живых организмов. Это же дает надежду, что мы сумеем in vitro-in vivo манипулировать световыми лазерными потоками, которые проводятся сложнейшей сетью световодов живой клетки и которые преобразуются на биомембранах в знаковые радиоволны. Такие процессы могут использоваться как основа для создания принципиально иных компьютеров, точнее биокомпьютеров.